Новая, более быстрая технология наноразмерной 3D-печати для изготовления небольших конструкций

Новая, более быстрая технология наноразмерной 3D-печати для изготовления небольших конструкций

Исследователи разработали метод наноразмерной 3D-печати с использованием нового метода, основанного на времени, для управления светом от сверхбыстрого лазера. Этот новый метод позволяет изготавливать небольшие структуры в тысячу раз быстрее, чем стандартные методы двухфотонной литографии (TPL), без ущерба для разрешения.

На изображении изображен печатный микростолб в лесу, погруженный в фотополимерный резист до разработки. Лес содержит 900 микрополосков на площади 7 х 7 мм и был напечатан менее чем за 90 минут по сравнению с более чем днем ​​печати с использованием серийных методов. (Фото предоставлено: Ву Нгуен и Сурабх Саха)

Несмотря на высокую пропускную способность, этот новый метод распараллеливания, называемый фемтосекундной проекцией TPL (FP-TPL), может давать разрешение по глубине 175 нм. Это разрешение считается лучше, чем общеизвестные методы, и его также можно использовать для изготовления конструкций с вылетами под углом 90 °, которые не могут быть изготовлены в настоящее время.

Этот метод может обеспечить промышленное производство гибкой электроники, биостендов, микрооптики, электрохимических интерфейсов, оптических и механических метаматериалов и других функциональных микро- и наноструктур.

Опубликовано 3 октября 2019, в журнале Science исследование было проведено исследователями из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) и Китайского университета Гонконга , Ведущий и соответствующий автор статьи Сурабх Саха в настоящее время работает доцентом в Школе машиностроения им. Джорджа Вудраффа в Технологическом институте Джорджии

.

Для преобразования фотополимерных материалов из жидкостей в твердые, современные технологии изготовления добавок в наномасштабе используют одно пятно света высокой интенсивности – обычно около 700-800 нм в диаметре. Точка должна будет сканировать всю производимую структуру, и из-за этого существующей технике TPL может потребоваться несколько часов для создания сложных трехмерных структур, что ограничивает ее потенциал для масштабирования для практических приложений.

« Вместо того, чтобы использовать одну точку света, мы одновременно проецируем миллион точек », – сказал Саха. « Это значительно увеличивает масштаб процесса, потому что вместо работы с одной точкой, которую нужно сканировать для создания структуры, мы можем использовать всю плоскость проецируемого света. Вместо того, чтобы фокусировать одну точку, у нас есть целая сфокусированная плоскость, которая может быть структурирована в произвольные структуры ».

Исследователи создали миллион точек, используя цифровую маску, подобную тем, которые используются в проекторах для создания видео и изображений. Маска в этом случае управляет фемтосекундным лазером для получения предпочтительного светового рисунка в жидком полимерном материале-предшественнике. Свет высокой интенсивности создает реакцию полимеризации, которая превращает жидкость в твердое вещество, где это предпочтительно, для получения трехмерных структур.

Каждый отдельный слой изготовленной структуры развивается с помощью вспышки высокой интенсивности с интенсивностью 35 фс. Затем маска и проектор используются для создания слоя за слоем, пока не будет разработана вся структура. Затем следует удаление жидкого полимера, и твердое вещество остается позади. Метод FP-TPL позволяет исследователям в течение 8 минут создать структуру, для создания которой на самом деле потребовалось бы несколько часов с использованием более ранних процессов.

Параллельная двухфотонная система, которая была разработана, является прорывом в наноразмерной печати, которая позволит реализовать замечательные характеристики материалов и структур в этом масштабе размеров в пригодных для использования компонентах .

Крис Спадаччини, директор, Центр инженерных материалов и производства, LLNL

В отличие от потребительской 3D-печати, в которой используются частицы, распыленные на поверхность, этот новый метод глубоко внедряется в жидкий предшественник, позволяя изготавливать структуры, которые не могут быть разработаны только при изготовлении поверхности. Например, методика может создать то, что Saha называет «невозможным мостом» с свесами под углом 90 ° и соотношением сторон длины к размеру объекта более 1000: 1.

Мы можем проецировать свет на любую глубину, которую мы хотим в материале, поэтому мы можем создавать подвесные трехмерные структуры .

Сурабх Саха, доцент, Школа машиностроения им. Джорджа Вудраффа, Технологический институт Джорджии

Исследователи преуспели в печати подвесных структур длиной в миллиметр между основаниями, которые, как считается, меньше чем 100 мкм x 100 мкм. Структура не разрушается при изготовлении, потому что твердое тело и жидкость имеют примерно одинаковую плотность, а производство происходит настолько быстро, что жидкость не успевает нарушиться.

Помимо мостов, исследователи также создали широкий спектр других структур, выбранных для демонстрации этой техники, в том числе кубоиды, микро-столбы, сваи, спирали и проволоки. Хотя исследователи использовали традиционные предшественники полимеров, Саха надеется, что этот метод также сможет работать на керамике и металлах, которые могут быть получены из полимеров-предшественников.

Реальное применение для этого было бы в промышленном производстве небольших устройств, которые могут быть интегрированы в более крупные продукты, такие как компоненты в смартфонах. Следующим шагом является демонстрация того, что мы можем печатать с другими материалами, чтобы расширить палитру материалов .

Сурабх Саха, доцент, Школа машиностроения им. Джорджа Вудраффа, Технологический институт Джорджии

В течение многих лет исследовательские группы работали над ускорением процесса двухфотонной литографии, используемого для создания наноразмерных трехмерных структур. Эта группа преуспела, применив другой способ фокусировки света, учитывая его свойства во временной области, что позволило изготавливать чрезвычайно тонкие световые листы с высоким разрешением и небольшими функциями.

Используя фемтосекундный лазер, исследовательская группа смогла сохранить достаточную интенсивность света, чтобы активировать процесс двухфотонной полимеризации, при этом гарантируя, что размеры точек являются тонкими.

В методе FP-TPL фемтосекундные импульсы сначала растягиваются, а затем сжимаются при прохождении через оптическую систему для применения временной фокусировки. Процесс, который может создавать трехмерные объекты, меньшие, чем сфокусированное световое пятно с ограниченной дифракцией, потребует двух фотонов для одновременного попадания в молекулы жидкого предшественника.

« Традиционно, есть компромисс между скоростью и разрешением », – сказал Саха. « Если вы хотите более быстрый процесс, вы потеряете разрешение. Мы нарушили этот технический компромисс, позволив нам печатать в тысячу раз быстрее с наименьшими функциями ».

В Технологическом институте Джорджии, Саха планирует улучшить исследование с помощью новых материалов и даже расширения процесса.

« До сих пор мы показали, что мы можем довольно хорошо справляться со скоростью и разрешением », – сказал он. « Следующими вопросами будет то, насколько хорошо мы можем предсказать характеристики и насколько хорошо мы можем контролировать качество в больших масштабах. Это потребует дополнительной работы, чтобы понять сам процесс . »

Источник: http://gatech.edu/

Source link